离子阱量子计算技术 | CQCC2024专题论坛

吴伟，国防科技大学副教授,硕士生导师。先后在国防科技大学获学士、硕士和博士学位。2015年-2016年在英国SUSSEX大学访学。中国计算机学会量子计算专委会执委，全国量子计算与测量标准化技术委员会首届委员，国防科技大学囚禁离子量子计算团队实验负责人。长期从事基于囚禁离子的量子模拟和量子计算研究,主持自然科学基金项目、国家“863”计划项目、国家重点研发计划项目课题等科研项目10余项。发表SCl学术论文60余篇,获湖南省自然科学奖一等奖1项。

Professor Kihwan Kim is a tenured professor in the Department of Physics, at Tsinghua University. He received his bachelor's, master's, and doctoral degrees from Seoul National University. He then did postdoctoral work at the University of Innsbruck and the University of Maryland. Since joining Tsinghua University in 2011, he has pursued the development of quantum computation and quantum information science using trapped ions. He also raised many talented students, and under his guidance, more than 14 students have already received doctoral degrees.

报告主题：Toward quantum advantage with trapped ions

摘要：In this talk, I will describe our major efforts to achieve quantum advantage using trapped ions. Within the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) realm, an important milestone is showing quantum advantage - outperforming classical computers on specific problems. So far, boson sampling with photons and random circuit sampling with superconducting qubits have achieved this. Here, I present two paths we are exploring to reach similar quantum advantages with trapped ions.

First, we construct scalable phononic networks using the vibrational modes of trapped ions. We have realized a small-scale phonon sampler and shown this is an ideal testbed, since single phonons can be prepared and measured deterministically without loss - addressing key limitations of photonic systems [1].

Second, we have developed a trap capable of holding a 2D crystal of ions, demonstrating its equivalence to the standard linear ion chain for quantum simulation. Specifically, we achieved adiabatic ground state preparation for transverse Ising models with up to 10 ions [2]. We plan to scale up the number of ions to achieve quantum advantage. We will discuss the difficulties and our strategy for overcoming challenges towards this goal.

[1] Wentao Chen, et al., Nature Physics 19, 877 (2023).

[2] Mu Qiao, et al., Nature Physics, online (2024).

林毅恒，中国科学技术大学物理学院近代物理系教授。于2015年获得美国科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）物理博士学位，此后在JILA研究所任博士后研究员，2018年回国加入中国科大物理学院、中科院微观磁共振重点实验室。研究工作主要围绕离子阱量子信息处理实验研究，涵盖量子逻辑门、新型量子纠缠、协同冷却、耗散量子体系、量子模拟、量子精密测量等课题。曾获求是杰出青年学者奖，安徽省五四青年奖章等荣誉。

报告主题：多维度离子阱体系量子调控进展

摘要：原子离子内部包含电子自旋、核自旋、亚稳态电子轨道等自由度，单个离子即可有较多长寿命能级，有利于减轻量子信息处理对载体数量的要求。我们通过对单个钙离子施加激光调控，实现内部能级的完整调控和读出，以此构建了可编程的多能级量子处理平台；通过对量子线路参数的迭代训练，实现了多能级编码的量子神经网络研究，完成对图像问题的有效分类。我们拟进一步扩展到多离子系统，在复杂量子线路中进行量子神经网络研究。我们也汇报近期在离子长链体系量子逻辑门工作的进展。

汪野，现任合肥国家实验室研究员；2012年在清华大学计算机科学实验班获得学士学位；2018年在清华大学获得博士学位；2018年至2022年在美国杜克大学作为博士后研究员和研究科学家参与容错量子计算及量子纠错研究；在Phys. Rev. Lett、Nature Photonics、Nature Chemistry、Science Advances等国际重要学术刊物上发表论文十余篇；获国家海外高层次青年人才项目支持，获得中国光学工程学会PhotoniX Prize。近年来主要学术成果包括：超长单量子比特相干时间、长离子链中高保真度量子纠缠门、一体式芯片离子阱、变分量子算法优化。

报告主题：基于离子阱的高保真量子信息处理技术

摘要：量子信息处理技术有望在保密通信、密码破译、量子模拟和资源优化算法等方向带来革新。而离子阱是目前用于量子信息处理与量子计算的物理平台中精度最高的平台。这个报告中将介绍离子阱系统中的高保真度门技术、线路中抑制相干错误与量子门串扰的技术。这些技术将在基于离子阱的容错量子计算中起到重要作用。报告最后将会介绍我回国之后在合肥国家实验室搭建离子阱量子计算平台的进展。